电场对氧化物材料磁性的调控与机制研究

The achieving of electric field control of magnetism, especial the control of magnetization by low electric voltage at room temperature is the essential factor for the realization of information storage techniques with low power consumption，high speed and nonvolatile operation. It is one of core problems of modern information storage techniques, which has attracted much more attention. There are already reports on the control of magnetism in diluted magnetic semiconductors, ferromagnetic metals and multiferroics. This project aims to explore the control of magnetism in various thin films including pure oxides, nonmagnetic doped oxides and some oxides which is antiferromagnetic at bulk. We shall investigate the principles of control of magnetism by electric field in oxide thin films, analyze the relationship between the electric field controlled magnetism and ferromagnetic origin, electronic structure, movement of vacancies or ions and interface behaviors. We shall investigate the electric field control of resistive switching and magnetization in the resistive random access memory. This project also investigates the electric field control of magnetism in RFeO3 （here R is rare earth element, but not Gd/Dy） and alfa-Fe2O3 system, to understand their mechanism, especially to investigate the possibility of multiferroics. This project is of significant not only for scientific interests， but also for the finding of novel and high efficiency devices with electric field control of magnetism.

实现电场调控材料中的磁性，特别是室温下低电压就能调控材料的磁化强度， 被认为是实现具有低功耗、高速度、非易失信息存储技术的关键， 也是当今信息存储技术亟需解决的核心问题之一， 受到科技界的高度重视。目前已有电场控制稀磁半导体、铁磁性金属、多铁材料磁性的报道。本项目拟研究电场对纯氧化物薄膜、非磁性元素替代的氧化物薄膜、固体为反铁磁的氧化物薄膜中磁性的调控，弄清电场调控氧化物薄膜磁性的规律， 阐明这些材料中电控磁效应与材料磁性的起源因素、电子结构、空位与离子迁移、界面特性的关联。还将研究电场调控氧化物阻变器件中阻变、磁化强度的规律。本项目还将对RFeO3基材料体系(这里R为非Gd、非Dy稀土)以及alfa-Fe2O3材料中的电控磁性开展深入的研究，研究其电控磁的机制，研究其电控磁现象是否伴随多铁性。本项目不仅有重要科学意义，而且有利于寻求新的、高效率的电控磁器件。

实现电场调控材料中的磁性，特别是室温下低电压就能调控材料的磁化强度，被认为是实现具有低功耗、高速度、非易失信息存储技术的关键。本项目开展了电场对多种氧化物磁性的调控与机制研究，探索发现了不含铁磁性元素的纯氧化物薄膜电控磁，阐明了电场下氧空位迁移、衬底界面特性、沉积气氛、氧空位浓度对电控磁的影响机制。发现纯氧化物在非晶态具有比纳米晶状态下更强的室温磁性。当施加电压，在许多纯氧化物作为介质层的RRAM器件上都观察到了电场调控磁化强度现象，不仅是高低组态磁性可调，而且随扫描电场增加，饱和磁化强度单调变化。在ZnO以及SnO2 的RRAM器件上，在有、无电流两情形下，均实现了电压对磁化强度的调控。在Ta/ZnO/Pt器件上观察到量子电导。还值得指出的是在室温沉积的Ta/SnO2/Pt器件上实现了阻变开关比高达27000，并观察到多重阻变，而且可实现电控磁行为，具有较好的应用前景。在非磁性元素掺杂的氧化物薄膜器件上观察到了电控磁行为， 发现其强烈依赖于电场方向。 还对NiO薄膜的铁磁性以及电控磁行为进行了探讨。真空低温退火的纳米晶a-Fe2O3中的电控磁与氧空位迁移、Fe2+产生以及与Fe3+铁磁耦合作用有关。研究了晶化的a-Fe2O3以及g-Fe2O3薄膜的电控磁行为，并配合DFT计算，阐明了衬底效应以及电场驱动的离子迁移对电控磁行为的影响。值得指出的是发现非晶Fe2O3/LiTaO3薄膜在室温下表现出弱的铁磁性；在室温下施加正电场可以提高薄膜的饱和磁化强度，实现了超过十倍变化的磁性能的可逆调控；反向负电场又可降低饱和磁化强度。其电控磁可能与锂离子置入到薄膜锂化和被抽取脱锂两个迁移效应有关。 室温下在SmFeO3材料体系上观察到电控磁，其来源可能与DMI多铁性与磁电耦合机制有关。我们还不仅DFT计算研究了MgO纳米条带的电控磁行为，而且通过建立哈密顿量，并利用格林函数方法以及蒙特卡洛计算对其电控磁特点以及机理进行了深入研究和阐述。